移动商务智能安全（上篇）：加密算法之对称与非对称
时间：2023-03-22 02:44:02 | 来源：电子商务
时间：2023-03-22 02:44:02 来源：电子商务
商务智能产品的服务对象是对数据安全非常敏感的企业。安全一贯是微策略关注的核心要素。在开发移动商务智能产品时，我们致力于为用户数据的存储、传输、验证等方方面面提供业界最顶尖的安全保障措施。
加密算法可以防止数据的读取、确保数据的完整性以及实现身份认证。本文对网络通信、数据存储、登录验证这几个方面涉及的加密算法进行简单的介绍，希望读者对安全功能实现的理论基础有一个清晰的认知，以便更深入地理解微策略的安全产品。
加密算法可以简单的分为“对称密钥加密算法”和“非对称密钥加密算法”，这是以加解密过程中使用的密钥是否相同来区分的：
- “对称加密算法”是指加密和解密使用同一个密钥，一般而言，算法的强度与密钥的长度成正比，涉及的加密算法包括：AES、DES、Triple DES、RC2、RC4、IDEA、Camellia等。
- “非对称密钥加密算法”是指加密和解密使用不同的密钥，通常包括两个密钥，一个公钥，可以对外公开，一个私钥，只有自己知道，这种算法现在的主要应用是在开放且不安全的网络上认证身份。这里涉及的加密算法包括：RSA、DSA、Diffie-Hellman等。
对称密钥加密对称密钥加密 Symmetric Key Algorithm 又称为对称加密、私钥加密、共享密钥加密：这类算法在加密和解密时使用相同的密钥，或是使用两个可以简单的相互推算的密钥，对称加密的速度一般都很快。
分组密码 Block Cipher 又称为“分块加密”或“块加密”，将明文分成多个等长的模块，使用确定的算法和对称密钥对每组分别加密解密。这也就意味着分组密码的一个优点在于可以实现同步加密，因为各分组间可以相对独立。
与此相对应的是流密码：利用密钥由密钥流发生器产生密钥流，对明文串进行加密。与分组密码的不同之处在于加密输出的结果不仅与单独明文相关，而是与一组明文相关。
数据加密标准 DES Data Encryption Standard 是由IBM在美国国家安全局NSA授权下研制的一种使用56位密钥的分组密码算法，并于1977年被美国国家标准局NBS公布成为美国商用加密标准。但是因为DES固定的密钥长度，渐渐不再符合在开放式网络中的安全要求，已经于1998年被移出商用加密标准，被更安全的AES标准替代。
DES使用的Feistel Network网络属于对称的密码结构，对信息的加密和解密的过程极为相似或趋同，使得相应的编码量和线路传输的要求也减半。
DES是块加密算法，将消息分成64位，即16个十六进制数为一组进行加密，加密后返回相同大小的密码块，这样，从数学上来说，64位0或1组合，就有2^64种可能排列。DES密钥的长度同样为64位，但在加密算法中，每逢第8位，相应位会被用于奇偶校验而被算法丢弃，所以DES的密钥强度实为56位。
3DES Triple DES，使用不同Key重复三次DES加密，加密强度更高，当然速度也就相应的降低。
高级加密标准 AES Advanced Encryption Standard 为新一代数据加密标准，速度快，安全级别高。由美国国家标准技术研究所NIST选取Rijndael于2000年成为新一代的数据加密标准。
AES的区块长度固定为128位，密钥长度可以是128位、192位或256位。AES算法基于Substitution Permutation Network代换置列网络，将明文块和密钥块作为输入，并通过交错的若干轮代换"Substitution"和置换"Permutation"操作产生密文块。
AES加密过程是在一个4*4的字节矩阵（或称为体State）上运作，初始值为一个明文区块，其中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte，加密时，基本上各轮加密循环均包含这四个步骤：
合并(AddRoundKey)：矩阵中的每个字节与该回合密钥做XOR异或运算，其中回合密钥由主密钥通过Rijndael密钥生成方案生成，这个密钥大小跟原矩阵一致。替换(SubBytes)：矩阵中的每个字节通过一个8位查找表对应的特定字节所替换。这里的8位查找表为S-box(Substitution-box, 置换盒)，用来模糊密钥与密文之间的关系，实现输入输出的非线性特征。行混淆(ShiftRows)：矩阵中的每一行的各个字节循环向左方位移，位移量随行数递增。列混淆(MixColumns)：每一列的四个字节通过线性变换互相结合，即与一个固定的多项式做乘法。已知的针对AES唯一的成功攻击是旁道攻击，2005年时使用缓存时序攻击法，破解了一个装载OpenSSL AES加密系统的客户服务器。
针对区块加密系统最常见的方式，是通过对加密循环次数较少的版本尝试攻击，然后改进算法后继续攻击高级版本，目前这个破解方法还不太实用。
另外由于AES的数据结构具有井然有序的代数结构，有一个担心就是相关的代数攻击，目前基于此的有效攻击方法也暂时没有出现。
非对称密钥加密非对称密钥加密 Asymmetric Key Cryptography 也可称为 Public Key Cryptography 公开密钥加密：需要两个密钥，分为公钥和私钥，一个用作加密而另外一个只能用于解密，而加密的密钥并不能用来解密。
根据此特性，除了加解密的应用外，还可以确保数字签名的功能：某用户用私钥加密明文，任何人都可以用该用户的公钥解密密文，以此判定身份。
对称密钥需要一个安全的渠道可以交换共用的密钥，而非对称密钥可以将加密公钥公开发布；不过公钥加密在计算上相当复杂，性能远比不上对称加密，所以一般会利用公钥加密来交换对称密钥，然后依靠对称密钥来传输具体的信息。
RSA是由三个人的名字组成 Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman于1977年在MIT提出，并于1987年公布，是目前最常用的公钥加密算法。
RSA算法的核心是极大整数的因式分解，理论基础在于由两个大质数算出乘积很容易，但是要从一个极大整数因式分解得出两个质数却很难。
ECC即 Elliptic Curve Cryptography 椭圆曲线密码学，是基于椭圆曲线数学建立公开密钥加密的算法。ECC的主要优势是在提供相当的安全等级情况下，密钥长度更小。
ECC的原理是根据有限域上的椭圆曲线上的点群中的离散对数问题ECDLP，而ECDLP是比因式分解问题更难的问题，是指数级的难度。而ECDLP定义为：给定素数p和椭圆曲线E，对Q＝kP，在已知P，Q 的情况下求出小于p的正整数k。可以证明由k和P计算Q比较容易，而由Q和P计算k则比较困难。
数字签名 Digital Signature 又称公钥数字签名是一种用来确保数字消息或文档真实性的数学方案。一个有效的数字签名需要给接收者充足的理由来信任消息的可靠来源，而发送者也无法否认这个签名，并且这个消息在传输过程中确保没有发生变动。
数字签名的原理在于利用公钥加密技术，签名者将消息用私钥加密，然后公布公钥，验证者就使用这个公钥将加密信息解密并对比消息。一般而言，会使用消息的散列值来作为签名对象。
下期预告：移动商务智能安全下篇——消息摘要与密码破解在加密安全领域中，如果不需要保证消息被完整地读取，只需要验证消息本身，还有消息摘要这类算法。摘要算法多用于信息的比对和验证，使得在不暴露原始信息，以及缩小比对量的情况下保证结果的正确性。
数据来源：Wikipedia Block Cipher: Wikipedia DES:Wikipedia AES:Wikipedia RSA: Wikipedia ECC: 我们会每周推送商业智能、数据分析资讯、技术干货和程序员日常生活，欢迎关注我们的本站公众号“微策略中国”或微信公众号“微策略 商业智能"。
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